物理と数学:老人のつぶやき

物理とか数学とかに関した、気ままな話題とか日常の生活で思ったことや感じたこと、自分がおもしろく思ったことを綴る。

落雷とカオス

2009-07-31 12:31:00 | 物理学

落雷とカオスとがどういう関係にあるのかよく知らない。

先日ドイツ語のクラスで講師のR氏がK夫人の質問に答えて「落雷はどこに起こるかカオス理論によって予言できない」と言っていた。そのとき一瞬カオス理論ってなんだったかなと思い出せなかった。

力学の古典的な書として有名な、ゴルドスタインの『古典力学』第3版(吉岡書店)の中にも11章にカオスという章があり、そこをF氏、E氏と私の3人が手分けをして訳したことがあるくらいだから、カオスの何たるかを知っているはずだったのにすぐにピンと来なかった。

普通に落雷をカオス理論では扱ったりはしないと思う。だが「カオス理論で落雷がどこで起こるかはわからない」というと、もっともらしく思えてそれ以上の質問ができにくくなるというくらいの効用はあるかもしれない。

そういえば、雷の発生とか、落雷とか雷鳴について、先日のM大学の講義の後のアンケートで質問があった。これはこの物理の授業と特に深い関連はないが、電磁気学のおおよその概観を駆け足で話した授業の後であった。

雷の発生とかその他のことをきちんと書いてある一般物理の本は少ない。私の知っている例では有名な『ファインマンの物理講義録(Feynman lecture)』(訳書は岩波書店刊)があるのみである。

質問があったので、しかたがなくこの講義録を講義をする前の晩に読んで、その箇所を読み終わったけれども、それを要約できるほど頭の中で整理が出来なかったので、学生にはその話を要約した説明ができないとのお断りをつぎの授業でした。

こういう質問をすること自体を、私は禁止していないが、質問に答えるためにはかなりの勉強が必要な場合がある。学生は先生は何でも知っていると勘違いをしているのではなかろうか。

ファインマンの講義録を読んだ感じでは、雷の発生も落雷もそう簡単に要約して話ができそうになかった。

だから、カオス理論で落雷がどこに起こるかは説明できないというのは一般的な印象に過ぎないのではないかと思われるが、それともそれを詳細に扱った研究があるのだろうか。

ちなみに「カオス」とは古典的な方程式系では、因果的にものごとが起こるが、それが初期条件に敏感に依存して、結果がランダム(初期条件の近さからは予想できないほど解のありかたが散らばる)になるという現象だと理解していいと思う。

初期値が近ければ、結果として起こる現象も近いはずだと、それまで一般的に古典力学では思われていたが、そうでないことが起こることがあることが、「カオス現象」である。これはここ数十年前に認識された比較的新しい事柄である。

以下は私の妄想である。あまり真面目にとらないでほしい。

量子力学による電子の確率的振舞をカオス的(注1)に再現できないかと考えている、(私以外の)科学者はいると思う。しかし、そういう試みが成功したという話を聞いてはいない。

たとえば、電子のビームを一点のピンホールで絞った後で、そのピンホールを通過した後の電子を自由に(観測をしないで)運動させれば、それが少し離れたところにあるフィルム上で同心円状の回折像ができる(注2)。

そういうようなパターンをカオス的な力学方程式で再現できれば、それで量子力学の基礎が揺らぐということはないと思うが、しかし量子力学について再考するきっかけとなることは間違いない。

(注1) カオス的ということは、ある古典力学系(数個の連立微分方程式で振る舞いが決まる系)で、電子の振る舞いを記述できるのではないかという考えである。

(注2) これにはもちろんある程度の露出時間がかかる。露出がきわめて短時間なら,あちこちに小さなスポットがフィルム上に見えるだけである。

こういうことから、実験物理学者の中には電子は粒子だという人もおられる。